发光二极管和半导体激光器
半导体激光器的应用与分类
半导体激光器的应用与分类半导体光发射器是电流注入型半导体PN结光发射器件，具有体积小、重量轻、直接调制、宽带宽，转换效率高、高可靠和易于集成等特点，被广泛应用。
按照其发光特性，可分为激光二极管（又称半导体激光器或二极管激光器，Laser Diode，LD），通常光谱宽度不]于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管(Light Emitting Diode，LED)，光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管(Superluminescent Dmde,SLD)，光谱宽度不大于5nm（采取专门措施可不大于0.1nm）；发光二极管（Light Emiltting，LED），光谱宽度一般不小于50nm；超辐射发光二极管（Superluminescent SLD），光谱宽度为30～50nm，本节重点介绍几种半导体激光器，钽电容简要介绍超辐射发光二极管。
半导体激光器的分类有多种方法。
按波长分：中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等；按结构分：双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器；按应用领域分：光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等；按管心组合方式分：单管、阵列（线阵、面阵）；按注入电流工作方式分：脉冲、连续、准连续等。
LD主要技术摄技术指标有光功率、中心波长、光谱宽度、阈值电流、工作电流、工作电压、斜率效率和电光转换效率等。
半导体激光器的光功率是指在规定驱动电流条件下输出的光功率，该指标直接与工作电流对应，这体现了半导体激光器的电流驱动特性。
如果是连续驱动条件，T491T336M004AT则输出功率就是连续光功率，如果是脉冲驱动条件，输出的光功率可用峰值功率或平均功率来衡量。
hymsm%ddz半导体激光器的中心波长是指激光器所发光谱曲线的中心点所对应的波长，通常用该指标来标称激光器的发光波长。
光谱宽度是标志个导体激光器光谱纯度的一个指标，通常用光谱曲线半高度对应的光谱全宽来表示。
光信号的分类
光信号的分类
标题：光信号的分类
一、引言
光信号是指利用光作为载体，通过光强度、频率、相位等参数的变化来传递信息的一种方式。
在现代通信系统中，光信号的应用越来越广泛，例如光纤通信、激光雷达、光学遥感等。
本篇文章主要对光信号进行分类。
二、光信号的分类
1. 按照调制方式分类：
(1) 强度调制光信号：通过改变光的强度来传输信息，如模拟电视、数字光盘等。
(2) 频率调制光信号：通过改变光的频率来传输信息，如光纤通信中的频率分复用技术。
(3) 相位调制光信号：通过改变光的相位来传输信息，如光纤通信中的相位编码技术。
2. 按照光源性质分类：
(1) 半导体激光器产生的光信号：这种光信号具有方向性好、单色性好、相干性强等特点，是光纤通信的主要光源。
(2) 发光二极管产生的光信号：这种光信号主要用于短距离、低速率的光通信。
3. 按照光波的传播方式分类：
(1) 平面波光信号：这种光信号在空间各点的电场和磁场振幅都相同，常用于自由空间光通信。
(2) 球面波光信号：这种光信号的电场和磁场振幅随距离增加而减小，常用于光纤通信。
三、总结
光信号是一种重要的信息载体，其种类繁多，各有特点。
了解光信号的分类有助于我们更好地理解和应用这些光信号，从而提高通信系统的性能。
半导体二极管激光器工作原理
半导体二极管激光器，也被称为激光二极管（LD，Laser Diode），是一种将电能直接转换成光能的半导体器件。
其工作原理主要基于半导体的PN结构以及粒子数反转等条件。
首先，PN结是由n型半导体和p型半导体构成的结构，在PN结的交界处，会出现电子和空穴的复合现象，进而形成发光。
当在激光二极管的PN结上加上适当的正向电压时，电子从n型材料向p型材料移动，空穴从p型材料向n型材料移动，它们在PN结区域相遇并发生复合。
这个过程中产生了能量差，能量差被释放成光的形式，从而形成了发光效应。
其次，为了产生激光，必须满足一定的条件，包括粒子数反转、谐振腔的存在以及满足阈值条件。
其中，粒子数反转是指通过一定的激励方式，使得半导体物质的能带之间或者与杂质能级之间实现非平衡载流子的粒子数反转。
谐振腔则是由半导体晶体的解理面形成的两个平行反射镜面，它们能够起到光反馈作用，形成激光振荡。
而满足阈值条件，即增益要大于总的损耗，则需要足够强的电流注入，以便有足够的粒子数反转，从而得到足够大的增益。
总的来说，半导体二极管激光器的工作原理是通过PN结的电子和空穴复合产生发光效应，并通过满足粒子数反转、谐振腔的存在以及阈值条件等条件，从而产生激光并连续地输出。
这种激光器具有结构紧凑、效率高、波长覆盖范围广等优点，因此在激光打印、光通信、医疗设备、实验室和工业检测等领域有广泛的应用。
半导体激光器和发光二极管
半导体激光器(LD)和半导体发光二极管(LED)
半导体光源的优点：
❖ 体积小、重量轻、耗电少、易于光纤耦合 ❖ 发射波长适合在光纤中低损耗传输 ❖ 可以直接进行强度调制 ❖ 可靠性高
光 纤 通 信 系统
1
第2讲
一. 激光原理的基础知识
1、光的吸收和放大 1）能级和能带
2）能级的光跃迁 3）光的吸收和放大
(1) 边发射结构
这是一种沿着有源区的结平面方向提取光的结构，上 面介绍的条形半导体激光器一般都采用这种结构提取光 。
(2) 面发射结构
这是由表面发射光的结构，它的发射结构又分成水平 腔和垂直腔结构。
光 纤 通 信 系统
29
第2讲
结构特点: 1) 发射方向垂直于或倾斜于PN结平面 2) 形成面发射的机理有多种情况，包括垂直腔型、水平腔型和 向上弯腔型激光器。其中，垂直腔面发射激光器（VCSEL）是 面发射激光器中最有前途的一种激光器 .
光 纤 通 信 系统
该能级被电子占据概率等于50％
该能级被电子占据概率大于50％ 该能级被电子占据概率小于50％
11
第2讲
各种半导体中电子的统计分布
本征半导体 P型半导体 N型半导体
兼并型P型半导体 兼并型N型半导体 双兼并型半导体
光 纤 通 信 系统
12
第2讲
导带
禁带
Ef
价带
(a) 本征半导体
要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频率 • 易集成，低价格，高产量
光 纤 通 信 系统
32
第2讲
2、量子阱激光器
结构特点：有源区非常薄 量子阱(QW，Quantum Well) 半导体激光器是一种窄
发光二极管和半导体激光器
主要内容
概述 半导体物理基础 发光二极管的结构、原理和特性参数 半导体激光器的结构、原理和特性参数
概述
固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 ★ 发光二极管
★
★ ★ ★
半导体激光器 液晶显示器
N2 E2 E1 E exp N1 kT
式中， k 1.381 1023 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。
在热平衡状态下，总是有N1 N 2。受激吸收速率大于受激辐射速
率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收 物质。 如果 N 2 N1，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种 物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介 质）。
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q 内量子效率
LED的外部量子效率和外部功率
hext
发射出的光子数目 内部产生的光子总数 1 c T 2 sin d 0 4
发光二极管（light emitting diode，LED），是利 用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的， 是自发辐射发光，发射的是非相干光。
光输出 N-AIyGa1-yAs
N P
反型异质结
P- GaAs
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
二、基本结构
1、面发光二极管
载流子注入
25 mm
5 mm
优点：LED到光纤的耦合效率高
半导体激光器和发光器件介绍
4、相干性好
自然光由无数的原子与分子发射，产生波长各不相同的 杂乱光，合成后不能形成整齐有序的大振幅光波。相干长度只 有几个mm或几十cm。
激光是受激辐射，单色性、发散角小，在空间和时间上 有很好的相干性。两激光束合成后能形成相位整齐、规则有序 的大振幅光波。相干长度达到几十公里。采用稳频技术， HeNe激光线宽可压缩到10kHz，相干长度可达30km。
原理：由正向偏置电压产生的注入电流进行自发辐射而发光
0℃
输 出
25℃
光
功
70℃
率
50 100 150 电流/mA
LED驱动电路及伏安特性
RL为限流电阻
RLUccUF
I IF F
Ucc RL UF
UF和IF为二极管参数
例如：
GaAs电流选用20mA， GaP电流选用10mA，即可 获得足够亮度。
气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3
发光二极管(Light emitting diode)
由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿 命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。
半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从 而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时， 势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入到N区，称 为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合， 注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着 以光子形式放出能量，因而有发光现象。
灯泵浦Nd:YAG激光 器
大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是长150mm， 直径7-10mm。泵浦过程中激光棒发热，限制了每个棒的 最大输出功率。单棒Nd:YAG激光器的功率范围约为50800W。
半导体激光器和发光二极管介绍概述
§3-2 激光器的一般工作原理 激光器是指激光的自激振荡器。
要使光产生振荡，必须是使光得到放大，而产生 光放大的前题，是物质中的受激辐射必须大于受激吸 收，因此，受激辐射是产生激光的关键。
面波，而且在腔内往返运动时，是垂直于反射镜
而投射，如图：
由A发出的平面波→M2垂直返回→M1返回 →A时，波得到加强，如果它们之间的相位差正
好是2π的整数倍时，显然就达到了谐振。
设谐振腔的长度L，谐振腔介质中光的波长
λg，则满足相位差2π的整数倍时，有
L g • q.
2
q1、 2、 3、 .........
被电子占据的概率为50% 若E< Ef：则f(E) > 1/2 若E>Ef ：则f(E) < 1/2。 故：费米统计规律是：
物质粒子能级分布的基本规律， 它反映了物质中的电子按一定规 律占据能级。
三、光与物质的三种作用形式
光可以被物质吸收，也可以从物质中发射，爱因斯坦指出了
三种不同的基本过程如图所示（下面简述E1、E2二能级系统为 例）。 （1）自发辐射 这是一种发光过程。 设原子的两个能级E1和E2，E1为低能级，E2为高能级，由于处 在高能级的电子不稳定，在未受外界激发的情况下，自发地跃 迁到低能级，在跃迁的过程中，根据能量守恒原理，发射出一 个能量为hf的光子，发射出的光子能量为两个能级之差：
红光点状光斑激光器
工作参数
输出波长：
635nm 650nm 670nm 出光功率：
发光二极管和半导体激光器
En exc
1
2 r
mr* m
EH n2
氢原子的基态电离能。
EH
mq4
8 02 h2
13.6(eV)
晶体的相对 电子和空穴的 介电常数 有效折合质量
1 mr*
1 mn*
1 m*p
Eg 价带顶
激子能级是分立的。
电子的有
n=1:激子的基态能级；
效质量
n=时，激子能级=0，相当于导带
底，电子和空穴完全摆脱了束缚。
• 等电子陷阱：由等电子杂质代替晶格基质原子而产 生的束缚态。
• 用等电子杂质代替基质原子不会增加电子或空穴， 而是形成电中性中心。例如：N就是GaP中P原子的 等电子杂质。
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
6）等电子陷阱复合
• 产生“陷阱”（束缚态）的原因？ 等电子杂质原子与被替位的基质原子之
空穴的有 效质量
7.2 辐射复合与非辐射复合
7.2.1 非平衡载流子的辐射复合
5）激子复合
• 对于自由激子，电子和空穴复合时会把能量释放出来 产生光子。
• 对于直接带隙半导体，自由激子复合发射光子的能量
为：
导带底
hv
Eg
En exc
En exc
• 对于间接带隙半导体，自由激子复 合发射光子的能量为
✓ 等电子杂质的电负性>（<）晶格原子的电负性，形成 电子(空穴)的束缚态，该等电子陷阱称为等电子的电 子（空穴）陷阱，该杂质称为等电子受主（施主）。
✓ 例如：N原子取代GaP中的P原子：形成电子的束缚态， N原子为等电子受主。Bi原子取代GaP中的P原子：形 成空穴的束缚态，Bi原子为等电子施主。
第八章 发光二极管和半导体激光器
8.1 辐射复合与非辐射
8.1辐射复合和非辐射复合 8.1辐射复合和非辐射复合
在复合过程中电子多余的能量可以以辐射的形式(发射光子) 在复合过程中电子多余的能量可以以辐射的形式(发射光子)释放出 来, 这种复合称为辐射复合,它是光吸收的逆过程. 这种复合称为辐射复合,它是光吸收的逆过程. 在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来, 在复合过程中电子的多余能量也可以以其它形式释放出来,而不发射光 这种复合称为非辐射复合. 子,这种复合称为非辐射复合. 光电器件利用的是辐射复合过程,非辐射复合过程则是不利的. 光电器件利用的是辐射复合过程,非辐射复合过程则是不利的.了解半 导 体中辐射复合过程和非辐射复合过程是了解光电器件的工作机制和进行器件 设计的基础. 设计的基础.
K 2 K1 = ± q
(8-4)
q
恒的条件为
为声子的波矢,正号表示放出声子,负号表示吸收声子,相应能量守 为声子的波矢,正号表示放出声子,负号表示吸收声子,
hν = E 2 E1 ± hν p
(8-5)
≈ Eg
νp
hν p
为声子的能量, 一般比电子能量小得多,可以略去. 为声子的能量, 一般比电子能量小得多,可以略去.
q2 hν D A (r ) = E g (E d + E a ) + 4πkε 0 r
(8-6)
8.1辐射复合
3.施主受主对复合 3.施主受主对复合 GaP 材料,不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同. 对于 材料,不同杂质原子和它们的替位状态会造成对的电离能不同.例 如: E a + E d = 941meV 1.6 K 氧施主和碳受主杂质替代磷的位置, 氧施主和碳受主杂质替代磷的位置,在温度为 1.6K Ea + Ed = 956.6meV 时, ;而氧施主 杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位, 杂质是磷替位和锌受主杂质是镓替位,在温度为 时, . D-A对的发光在室温下由于与声子相互作用较强,很难发现D-A对复合的线光 对的发光在室温下由于与声子相互作用较强,很难发现D 谱.但是,在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列.这种发光机构已为实 但是,在低温下可以明显地观察到对发射的线光谱系列. 验证实并对发光光谱作出了合理的解释. 验证实并对发光光谱作出了合理的解释.
LED(发光二极管)和激光器
一、LED:发光二极管一、LED及其特点Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。
LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
LED的特点:LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所;效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%;适用性：很小，每个单元LED小片是3-5 mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境;稳定性：10万小时，光衰为初始的50%;响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED 灯的响应时间为纳秒级。
二、LED的发光原理及结构介绍发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
在某些半导体材料的P N结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LE D。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。
而通过对其中发光材料的研究，人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的L ED元件，但是无论怎么变化，LED总的发光原理和结构都没有发生太大的变化。
三、LED常用照明术语1、平均寿命：指一批灯至50%的数量损坏时的小时数。
单位：小时（h）。
2、经济寿命：在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至特定的小时数。
室外的光源为70%，室内的光源为80%。
3、色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。
半导体器件应用半导体激光器与光电二极管的应用
半导体器件应用半导体激光器与光电二极管的应用半导体器件应用——半导体激光器与光电二极管的应用半导体器件作为电子技术中的重要组成部分，广泛应用于各个领域。
其中，半导体激光器和光电二极管是常见的半导体器件，具有重要的应用价值。
本文将探讨半导体激光器和光电二极管的应用，并介绍它们在不同领域中的具体作用。
一、半导体激光器的应用半导体激光器是利用半导体材料电流注入产生的激射效应发出激光的器件。
它具有体积小、效率高、功率稳定等特点，因此在许多领域中有着广泛的应用。
1. 信息通信领域半导体激光器在信息通信领域中，被广泛应用于光纤通信、光存储等设备中。
例如，它可以作为激光器光源，用于传输高速、大容量的光信号。
此外，半导体激光器还可以用于光纤传感器，实现对光纤中的变形、温度等参数进行高精度检测。
2. 医疗领域在医疗领域中，半导体激光器可以用于激光手术、激光治疗等。
例如，它可以作为可控制的、高功率的激光器光源，用于进行精确的手术操作。
此外，半导体激光器还可以用于肿瘤治疗、皮肤美容等领域，发挥其独特的照射效果。
3. 工业制造领域在工业制造领域中，半导体激光器常被应用于激光切割、激光打标等设备中。
例如，它可以作为高功率的激光器光源，用于精确切割各种材料，如金属、塑料等。
另外，半导体激光器还可以用于激光焊接、激光清洗等工艺，提高生产效率和产品质量。
4. 生物医学领域在生物医学领域中，半导体激光器被广泛应用于细胞成像、蛋白质分析等研究中。
例如，它可以作为激发光源，用于激发荧光染料，实现对细胞、组织等生物样本的高清晰成像。
此外，半导体激光器还可以用于光谱分析、蛋白质定量等方面，为生物科学的发展提供了有力支持。
二、光电二极管的应用光电二极管是一种基于光电效应工作的半导体器件，具有高效率、快速响应等优点。
它广泛应用于光电探测、光电转换等领域。
1. 光电检测领域光电二极管在光电检测领域中起着重要的作用。
例如，在光电传感器中，光电二极管可以将光信号转换成电信号，实现对光强、光波长等参数的检测。
半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的差异
半导体发光二极管和半导体激光器在结构上的差异
半导体发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）在结构上存在一些差异。
以下是其中一些主要的差异：
1. 结构设计：LED通常采用PN结构，而激光器则采用PN结构和衍射光栅或腔内反射镜等光学元件组成。
2. 激光器引入光学腔：LED并没有光学腔，而激光器在PN结构中引入光学腔以增强光的反射和准直，从而实现激光效应。
3. 相干辐射：激光器由于引入了光学腔，激发的光线在光学腔内进行多次正反射，形成相干辐射，从而产生准定向、单色和相干的激光输出。
而LED没有光学腔，输出的光线较为非相干，非准定向和非单色。
4. 电流注入区域：激光器的电流注入区域较小，一般在纳米或亚微米级别，而LED的电流注入区域相对较大，一般在微米级别。
5. 输出功率：激光器的输出功率较高，可以达到几十毫瓦到几瓦的级别，而LED的输出功率一般在几毫瓦以下。
总体而言，半导体激光器相对于半导体发光二极管具有更复杂的结构，引入了光学腔以实现激光效应，并且具有更高的输出功率和相干性。
而LED则更简单，输出功率相对较低且辐射为非相干性。
(整理)光电课程设计_光学仿真.
概述：一、光源在光纤通信系统中，光源器件可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。
光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长，处在光纤的低损耗窗口之中；有足够大的输出功率，从而有较长的传输距离；有较窄的发光谱线，可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响；易于与光纤耦合，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。
下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源：半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）。
1 发光二极管（LED ）发光二极管（LED ）是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。
其寿命很长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜。
驱动电路简单，不存在模式噪声等问 题。
发光二极管结构简单，是一个正向偏置的PN 同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。
发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。
LED 所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30～60nm ）和较大的发射角（≈100°）。
自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I ，在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q ，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint ，光子产生率为(I ηint/q)，因此LED 内产生的光功率为()int int /P w q η= (2.1)式中，ω 为光量子能量。
假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED 逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext ，则LED 的发射功率为()int int /e ext ext P P w q I ηηη== (2.2) ηext 亦称为外量子效率。
由上式可知，LED 发射功率P 和注入电流I 成正比。
半导体激光器的分类
半导体激光器的分类半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的装置。
它具有体积小、功率高、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
根据其工作原理和结构特点的不同，可以将半导体激光器分为以下几类：1. 二极管激光器（LD）二极管激光器是最常见的半导体激光器类型之一。
它是通过注入电流到二极管中，使其产生激光辐射。
二极管激光器具有体积小、功率密度高、效率高等优点，广泛应用于光纤通信、激光打印、激光雷达等领域。
根据工作原理的不同，二极管激光器又可以分为以下几类：•直接泵浦激光器（Direct Pumped Laser Diode，DPLD）：通过电流直接激发半导体材料产生激光。
这种激光器通常具有较高的功率和较宽的工作频率范围。
•共振腔激光器（Resonator Laser Diode，RLD）：在二极管激光器的两端加上反射镜，构成一个光学共振腔。
通过选择合适的反射镜，可以实现激光的单模或多模输出。
2. 半导体光放大器（SOA）半导体光放大器是一种利用半导体材料增强光信号强度的装置。
它与二极管激光器结构相似，但工作在低注入电流下，不产生激射器。
半导体光放大器具有宽带宽、低噪声、快速响应等优点，广泛应用于光纤通信、光网络等领域。
3. 垂直腔面发射激光器（VCSEL）垂直腔面发射激光器是一种在半导体材料中形成垂直共振腔结构的激光器。
它是通过在半导体材料上增加光学反射镜而实现的。
VCSEL具有发射光束近乎垂直、低阈值电流、高速调制等特点，广泛应用于光纤通信、光存储、光雷达等领域。
4. 外腔激光二极管（ECL）外腔激光二极管是一种将带有光纤输出的半导体激光器。
它利用光纤与半导体激光器之间的耦合结构，将激光输出到光纤中。
ECL具有高度集成、输出功率稳定、光谱纯净等优点，广泛应用于光纤通信、传感器等领域。
5. 量子阱激光器（QL）量子阱激光器是一种利用半导体量子阱结构产生激射器的激光器。
它采用了由狭窄能隙材料构成的量子阱，可以有效地抑制激发态的非辐射复合，从而提高激光器的效率。
光纤通信原理第二章2 半导体激光器和发光二极管
+ B = m/n,
n ( 1 + sin n)= m
布喇格反射条件
2n = m
是波纹光栅的周期，也称为栅距；m为 整数；n为材料等效折射率；为波长
3.DFB激光器的优点
•单纵模 •光谱线宽窄 •动态单纵模 •线性好
DFB和DBR激光器
MQW-DFB-LD
§2.5半导体激光器的基本特性
垂直腔面发射激光器
垂直腔激光器的优点
• 发光效率高 ， 850nm，10mA电流，1.5mW 功率
• 发射圆形光束，耦合效率高 • 阈值电流极低，工作电流也不高 • 可通过短腔（5~10µm）实现单纵模工作 • 高温度稳定性，200Mb/s速率以下应用，可
不需要APC • 高工作速率（达3Gb/s以上) ，高张弛振荡频
寿命长 可靠性高 调制电路简单 成本低
LD和LED的光谱比较
• 存在光学谐振机制,并在有源区建立 稳定的振荡 ---激光产生条件
在半导体激光器中光振荡主要采用 两种形式:
• F-P（法布里－珀罗）谐振腔:用半 导体晶体天然的解理面构成。
• DBR（分布布拉格反射器）—周期 性波纹结构
2.制作半导体激光器的材料
直接带隙的半导体材料：导带的最低点 和价带的最高点对应着相同的波数K。
降低器件的阈值电流密度 实现室温下连续工作
(2)按平行于PN结激光器
台面条形 激光器
平面条形 激光器
隐埋条形 激光器
宽面激光器
只有PN结中部与解 理面垂直的条形面积上 (10~30 m)有电流通过 的结构是条形结构。
条形激光器主要优 点是阈值电流低，发热 少，利于散热，可以改 善光谱特性。但受条宽 限制不宜作大功率输出 。
LD and LED and 激光器 (5)
3、发光亮度与电流密度
（1）发光亮度基本上与正向电流密度成线性关系。 （2）发光亮度受到环境温度的影响。 (a)环境温度越高，所允许的耗散功率越小，允许 的工作电流也就越小，发光亮度下降； (b)环境温度越高，结温升高，也使发光效率（亮 度）下降。 （ 3 ）即使环境温度不变，由于注入电流加大，引起结 温升高，发光亮度－电流密度曲线也会呈现饱和现象。
25
• LED固态照明被认为是21世纪照明新节能光源，因 为在同样亮度下，半导体灯耗电仅为普通白炽灯的 1/10,而寿命却可以延长100。 • 此外，LED器件是冷光源，具有光效高、工作电压 低、耗电量小、体积小、可平面封装、易于开发轻 薄型产品、结构坚固寿命很长等特点。
26
LED的发展历史
• 1965年世界上的第一只商用化LED诞生，用 锗制成，单价45美元，为红光LED，发光效 率0.1 lm/w • 1968年利用半导体搀杂工艺使GaAsP材料的 LED的发光效率达到1 lm/w, 并且能够发出 红光、橙光和黄光 • 1971年出现GaP材料的绿光LED，发光效率也 达到1 lm/w
6、由于器件在正向偏置下使用，因此性能稳定，寿命长(≥106 小时)；
20
缺点：
1、发光二极管的主要缺点是发光效率低，有效发光面 很难做大。 2、功率较小，只有微瓦级和毫瓦级： 3、光色有限，较难获得短波发光（如紫外、蓝色）， 制成的短波发光二极管的价格昂贵，且发光效率低。
应用：
二极管除用于数字、字符显示器件外，还被作为光源器件 广泛用于光电检测技术领域中。
4.1310 15 31014 1.43
发光二极管与激光器
一、
发光二极管的发光原理：
制作LED的材料是重掺杂的，热平衡状态下，N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多迁移率较低的空穴。
由于PN结阻挡层的作用，两者不能自然复合。
当给PN结加以正向电压时，PN结中的电子和空穴辐射复合发光，是自发辐射发光。
激光器的发光原理：
激光器一般由三部分组成：工作介质，激励源，谐振腔。
其发光原理是给工作介质加以某种激励源，泵浦激励过程实现工作原子在上下能级间的粒子数反转分布，再通过工作物质中原子的自发辐射诱导受激辐射实现光的放大作用，经过谐振腔对光波模式的“筛选”和光学正反馈，最后形成持续震荡的相干光辐射，发射激光。
这两种光源的主要差别：
半导体激光器是基于载流子的受激跃迁辐射，发射的是相干光-激光；而二极管是基于注入的载流子的自发跃迁辐射，发射的是非相干光-荧光，而且LED的结构公差没有激光器那么严格，而且无粒子数反转、谐振腔等条件要求。
二、
光源波长与制作激光器所用的材料即工作介质密切相关。
工作介质可以是固体、气体、液体、半导体等。
激光器产生激光的条件之一是在特定的能级间实现粒子数的反转分布，从而使电子在能级之间跃迁完成发光。
不同的材料（工作介质）能级结构不同，能级差不同，电子跃迁所发射的光频也就不同，波长也就会不同，从而产生了不同颜色的光源。
所以不同材料的激光器产生激光的波长也不同。
举例说明：氩激光器产生的光波长为488nm，蓝光；氦氖激光器产生的光波长为543nm，绿光；红宝石激光器产生的光波长为694nm，红光。
关于发光二极管以及二极管激光器
发光二极管简称为LED。
由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。
当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。
在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。
因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机光二极发管LED。
激光二极管包括单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。
量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。
同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。
在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。
双异质结(DH)平面条形结构，这种结构由三层不同类型半导体材料构成，不同材料发射不同的光波长。
图中标出所用材料和近似尺寸。
结构中间有一层厚0.1~0.3 μm的窄带隙P型半导体，称为有源层；两侧分别为宽带隙的P型和N型半导体，称为限制层。
三层半导体置于基片(衬底)上，前后两个晶体解理面作为反射镜构成法布里-珀罗(F-P)谐振腔DH激光器工作原理：由于限制层的带隙比有源层宽，施加正向偏压后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。
P层带隙宽，导带的能态比有源层高，对注入电子形成了势垒，注入到有源层的电子不可能扩散到P层。
同理，注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。
这样，注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1~0.3 μm的有源层内形成粒子数反转分布，这时只要很小的外加电流，就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。
另一方面，有源层的折射率比限制层高，产生的激光被限制在有源区内，因而电/光转换效率很高，输出激光的阈值电流很低，很小的散热体就可以在室温连续工作。
图3.6 DH激光器工作原理(a) 双异质结构；(b) 能带；(c) 折射率分布；(d) 光功率分布异质结，两种不同的半导体相接触所形成的界面区域。
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N2 E2 E1 E exp N1 kT
式中， k 1.381 1023 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度。
在热平衡状态下，总是有N1 N 2。受激吸收速率大于受激辐射速
率。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收 物质。 如果 N 2 N1，即受激辐射速率大于受激吸收速率，当光通过这种 物质时，就会产生放大作用，这种物质称为增益介质（或激活介 质）。
产生受激辐射的条件是在结区的导带底部和价带
顶部形成粒子数反转分布。
考虑激光器工作在连续发光的动平衡状态，导带底电子的占据几率可
以用N区的准费米能级来计算
f N ( E2 ) e
1
E2 EF kT
价带顶空穴的占据几率可以用P区的准费米能级来计算 f P ( E1 )
价带顶电子占据几率则为 f N ( E1 ) 1 f P ( E1 )
(1) (2)
指示灯: LED正在成为指示灯的主要光源 光源: 电视机、空调等的遥控器的光源 干涉仪的光源 低速率、短距离光纤通信系统的光源
（3）数字显示用显示器: 点矩阵型和字段型两种 方式 平面显示器: 可进行电视画面显示
1) 最简单的七段式数码管 2) 14列字码管
3) 在文字显示上，通常是把二极管作矩阵排列
（3）受激辐射
E2 hv hv
hv
E1
在高能级E2的电子， 受到入射光的作用， 被迫跃迁到低能级E1 上与空穴复合，释放 的能量产生光辐射， 这种跃迁称为受激辐 射。
受激辐射：相干光
设在单位物质内，处于低能级E1和处于高能级E2的粒子数分别为N1和 N2。当系统处于热平衡状态时，粒子分布遵循玻耳兹曼统计分布
Pint 内量子效率 每秒钟内总的载流子复 合数量 h 注入 LED的电流强度 h 电子电量 I Ihc hint h hint q q 内量子效率
LED的外部量子效率和外部功率
hext
发射出的光子数目 内部产生的光子总数 1 c T 2 sin d 0 4
发光二极管和半导体激光器
主要内容
概述 半导体物理基础 发光二极管的结构、原理和特性参数 半导体激光器的结构、原理和特性参数
概述
固体发光材料在电场激发下产生的发光现 象称为电致发光。它是将电能直接转换为光能 的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发 光器件。 ★ 发光二极管
★
★ ★ ★
四 发光二极管的特点及应用
1、 LED辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大。 2、 LED的发光颜色非常丰富，通过选用不同的材料，可 以实现各种发光颜色。如采用GaP:ZnO或GaAaP材料的红色 LED，GaAaP材料的橙色、黄色LED，以及GaN蓝色LED等。
而且通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。
半导体内的粒子分布状态：
N1：处于低能级的粒子数量 (价带电子数/导带空穴数) N2：处于高能级的粒子数量 (导带电子数/价带空穴数) (1) N1 > N2，正常粒子数分布，光吸收大于光辐射。当光通 过这种半导体时，光强按指数衰减。
(2) N2 > N1，粒子数反转状态，光辐射大于光吸收。当光通 过这种半导体时，会产生放大作用。 问题: 如何得到粒子数反转分布的状态?
x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长
三 LED的特性
光谱特性
特点：1. 自发辐射光 -> LED谱线较宽 2. 面发光二极管的谱线要比边发光二极管的宽 3. 长波长光源谱宽比短光源宽 - 短波长GaAlAs/GaAs 谱宽30~50 nm - 长波长InGaAsP/InP 谱宽60~120 nm
LED的内部量子效率和内部功率
内量子效率 hint
hint
辐射性复合速率 辐射性复合速率 总复合速率 辐射性复合速率 非辐射性复合速率
1
辐射性复合时间 r1 1 1 1 1 辐射性复合时间 非辐射性复合时间 r nr
那么LED的内部发光功率为：
2 发光二极管的工作原理、结构及特性参数
基本原理：外加电场实现粒子数反转，大量电子-空 穴对的自发复合导致发光。
为什么要使用LED： 1. 驱动电路简单 2. 不需要温控电路 3. 成本低、产量高 缺点： 4. 输出功率不高：几个毫瓦 5. 谱宽很宽：几十个纳米到上百纳米 应用场合：短距离传输
一、工作原理
发光二极管（light emitting diode，LED），是利 用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的， 是自发辐射发光，发射的是非相干光。
光输出 N-AIyGa1-yAs
N P
反型异质结
P- GaAs
同型异质结
P-AIxGa1-xAs
双异质结半导体发光二极管的结构示意图
二、基本结构
1、面发光二极管
征参量。它由半导体材料的掺杂浓度和温度决定，反映电子在半导体内
能带上的分布情况。对于本征半导体，费米能级在禁带的中间位置，价 带能级低于费米能级同时导带能级高于费米能级
杂质半导体的费米能级的位置与杂质类型及掺杂浓度有密切关系
半导体中产生光放大的的条件是：在半导体中存在双简并能带且入 射光的频率满足
本征半导体的能带结构
在热平衡状态下，电子在能带中的分布不再服从波尔兹曼分布，而 是费米分布，能级E被电子占据的几率为:
fn (E ) 1
式中， k 1.381 10 费米能级 。
23
e
E EF kT
1
E F 叫做 J/ K，为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，
费米能级并非实在的可由电子占据的能级，而是半导体能带的一个特
e 1
E1 EF kT
1
1 e
EF E1 kT
1
在结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反转的条件是
1
f N ( E2 ) f N (E1 )
EF EF E2 E1 Eg
因此结区导带底和价带顶实现粒子（电子）数反
转的条件是N区和P区的准费米能级之差大于禁带 的宽度。
1 半导体物理基础
pn结注入式场致发光原理
在物质的原子中，存在许多能级，最低能级E1称 为基态，能量比基态大的能级Ei(i=2,3,4…) 称为 激发态。
电子在低能级与高能级之间可以有3种跃迁，分别
为(1)受激吸收、(2)自发辐射、(3)受激辐射，下面
以E1与E2能级为例进行介绍。
（1）受激吸收
E2
hv
E1
在正常状态下，电 子处于低能级E1，在入 射光作用下，它会吸收 光子的能量跃迁到高能 级E2上，这种跃迁称为 受激吸收。电子跃迁后， 在低能级留下相同数目 的空穴。
（2）自发辐射
E2 hv
E1
自发辐射：非相干光
在 高 能 级 E2 的 电 子是不稳定的，即使 没有外界的作用，也 会自动地跃迁到低能 级 E1 上与空穴复合， 释放的能量转换为光 子辐射出去，这种跃 迁称为自发辐射。
LED的P-I特性
15
发射功率 P (mW)
10
正面发光
5
侧面发光
0 0
100 200 300 400 500 电流 I / mA
1. 驱动电流较小 -> LED P-I特性线性度好 2. 驱动电流较大 -> pn结发热产生饱和现象 -> 曲线斜率减小 通常，LED工作电流为50~100mA，输出光功率为几毫瓦
其中T() 为菲涅尔透射系 数。
假定外界介质为空气 (n2 = 1)，外量子效率为：
h ext
Pint 1 P h P 和 out ext int n(n 1) 2 n(n 1) 2
例：LED典型的折射率为3.5，那么其外量子效率为1.41%，即 光功率仅有很小的一部份能够从LED中发射出去。
3、 LED的单元体积小。在其他显示器件不能使用的极小 的范围内也可使用，再加上低电压、低电流驱动的特点，作 为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用范围还 会进一步扩大。 4、寿命长，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广 场地面的信号光源，是一个新的应用领域。
四 发光二极管的特点及应用 应用
半导体激光器 液晶显示器
ting Diode，简称LED)和半导体 激光器(laser Diode，简称LD) 都属于发光器件，都采用pn 结或异质结的注入式场致发光的方法发光。它们之间的主 要区别是：发光二极管靠注入的载流子自发复合的自发辐 射，发射的是非相干光；而半导体激光器靠受激辐射，发 射的是相干光，光的单色性、方向性和亮度等都比发光二 极管的好得多。 与其它发光器件相比，半导体发光器件具有体积小、 工作电压低、功耗低、机械性能好、调制方便等优点。因 而有着广阔的应用前景，目前主要用在信息的传递、处理、 存贮和显示方面。 LED 多用于各种仪器仪表的指示器，数 字、文字及其它符号的显示，光通信、精密测距及其它物 理检测的光源。LD在通信、测距、光集成、信息的存贮和 处理等方面具有重要的应用。可是这两类器件，目前还存 在发光效率低、成本高、寿命还不够长等缺点，尚待进一 步研究解决。
载流子注入
25 mm
5 mm
优点：LED到光纤的耦合效率高
2、边发光二极管
载流子注入
30º 50~70 mm 100~150 mm 120º
优点：与面发光LED比，光出射方向性好 缺点：需要较大的驱动电流、发光功率低
LED光源的材料和工作波长：
单质半导体材料 -> 间接带隙材料 -> 不适合做光源 化合半导体材料 -> 直接带隙材料 -> 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物) LED基本材料： - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800~850 nm短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：1000~1700 nm长波长光源